摘 要：根據(jù)輥道窯的特點(diǎn)及常規(guī)PID控制器的局限性,，采用基于繼電反饋的整定方法確定PID控制參數(shù),，在此基礎(chǔ)上，采用模糊控制理論,，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差絕對(duì)值及偏差的積累絕對(duì)值,，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí),，逐步調(diào)整PID參數(shù)值,，使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線智能校正,，并以RS-485串行通信方式組成分布式智能控制系統(tǒng)對(duì)輥道窯溫度進(jìn)行集中監(jiān)控,。該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)長期連續(xù)運(yùn)行，性能穩(wěn)定,，可靠性高,，具有良好的控制性能。
關(guān)鍵詞：分布式控制系統(tǒng),；智能控制,；PID參數(shù)自整定；輥道窯,。
1 引言
陶瓷生產(chǎn)是一門古老,、歷史悠久的傳統(tǒng)工業(yè)，陶瓷輥道窯的生產(chǎn)過程均采用傳統(tǒng)的手工操作,，爐溫波動(dòng)幅度大,，造成瓷磚質(zhì)量不高，甚至出現(xiàn)產(chǎn)品不合格的情況,，再加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件差,，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作員工增加,，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響較大,。為了提高陶瓷生產(chǎn)水平,，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求和工廠提出的工藝要求,，我們研制了一套分布式智能控制系統(tǒng)對(duì)輥道窯爐溫度進(jìn)行集中監(jiān)控，保證爐溫的誤差在工藝要求之內(nèi),，從而提高瓷磚的質(zhì)量與產(chǎn)量,，改善工人的勞動(dòng)條件,，提高生產(chǎn)效率。
2 輥道窯溫度分布式控制系統(tǒng)的組成及原理
該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分組成,，上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-485通訊協(xié)議完成信息的傳遞,，上位機(jī)由586微機(jī)加RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，位于集中控制室,，完成向下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制器）發(fā)送命令,、接收現(xiàn)場(chǎng)控制器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ),、報(bào)表打印,、顯示等功能。下位機(jī)由現(xiàn)場(chǎng)溫度智能控制器,、溫度傳感器,，電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥等組成，主要完成對(duì)輥道窯爐各點(diǎn)溫度的測(cè)量,、控制及向上位機(jī)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)等,。6個(gè)控制器通過電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥調(diào)整噴油量達(dá)到分別控制窯爐內(nèi)6點(diǎn)溫度，從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定,，該系統(tǒng)特別適合于象輥道窯這樣的小規(guī)模DCS系統(tǒng),。
3 智能溫度控制器的設(shè)計(jì)
3.1 概述
常規(guī)PID控制器由于具有原理簡單，穩(wěn)定性好,，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),，因而在過程控制中得到廣泛應(yīng)用，但在輥道窯溫度控制系統(tǒng)中,，常規(guī)PID控制器也暴露出其局限性,。首先常規(guī)PID控制器的設(shè)計(jì)是基于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而輥道窯爐難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,，故系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期的控制品質(zhì),。其次當(dāng)輥道窯的工況發(fā)生變化時(shí)（例如，油壓波動(dòng),，油的品質(zhì)變化時(shí)）,，在某一工況下整定的PID參數(shù)不能滿足性能指標(biāo)要求。為此,，在PID控制器設(shè)計(jì)時(shí),，首先采用基于繼電反饋的整定方法，確定PID調(diào)節(jié)器參數(shù),，再對(duì)PID參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)Fuzzy校正,，使其具有自適應(yīng)功能，從而滿足系統(tǒng)變工況的要求。
3.2 溫控器的控制策略
3.2.1 PID參數(shù)自整定
根據(jù)繼電振蕩原理,，繼電反饋系統(tǒng)框圖如圖1所示,。若繼電器輸出幅度為b，則根據(jù)非線性理論,，繼電器的描述函數(shù)為 ,，其中誤差信號(hào)的幅度為不斷調(diào)整繼電特性的幅值，使系統(tǒng)發(fā)生自振蕩,，然后測(cè)取振蕩周期與幅度,，便可得出臨界增益 與臨界周期 。利用這兩個(gè)參數(shù),，根據(jù)Ziegler-Nichols方法,，可得出PID參數(shù) ， ,， ,。PID參數(shù)整定完畢后，此參數(shù)作為PID控制器Fuzzy校正的初值,，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入PID參數(shù)Fuzzy校正控制,。一般在系統(tǒng)初次投入時(shí)整定，并把整定值存入EEPROM中,。


其中 Kp為比例系數(shù),；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù),。
3.2.2 PID參數(shù)實(shí)時(shí)Fuzzy校正
根據(jù)上述自整定得出的PID參數(shù),，當(dāng)輥道窯爐參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的性能將下降,，甚至無法滿足工藝要求,，所以必須對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。目前較多地采用自校正PID算法,，但這種方法是基于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,，為此，我們采用模糊控制技術(shù),，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的偏差絕對(duì)值 及偏差的積累絕對(duì)值 ,，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，當(dāng)參數(shù)或工況發(fā)生變化時(shí),，逐步調(diào)整 值,，使系統(tǒng)控制性能處于最優(yōu)狀態(tài)。 的修正規(guī)則如下：
（1）比例系數(shù) 增大,，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,，穩(wěn)態(tài)誤差減小,，因此在偏差大的情況下，要增大 值,。但是 過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至不穩(wěn)定,，因此在偏差小的情況下,，要減小 值。將偏差絕對(duì)值 的模糊子集取為很大（VB）,、大（B）,、中（M）、?。⊿）和很?。╒S）， 的模糊子集取為PB,、PS,、O、NS,、NB,，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表1所示。其中,， 的基本論域?yàn)閇0,，10]，分為11個(gè)量化等級(jí),，即 =｛0,，1，2,，3,，4，5,，6,，7，8,，9,，10｝， 的基本論域?yàn)閇-0.5,，+0.5],，分為11個(gè)等級(jí)即 =｛-0.5，-0.4,，-0.3,，-0.2,，-0.1，0,，0.1,，0.2，0.3,，0.4,，0.5｝。


（2）在PID控制器中,，積分作用是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,，加強(qiáng)積分作用（減小 ）有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差，但過強(qiáng)的積分作用會(huì)引起積分飽和,，使系統(tǒng)超調(diào)加大,，甚至引起振蕩。因此,，在調(diào)節(jié)過程中的初期,，即誤差的積累 較小時(shí)，應(yīng)減弱積分的作用（加大 ）,。而在調(diào)節(jié)過程的后期,，即誤差累積 較大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)積分作用（減小 ）,。將誤差累積絕對(duì)值 的模糊子集取為VB,、B、M,、S和VS,， 的模糊子集取為PB、PS,、O,、NS、NB,，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示,。其中， 的基本論域?yàn)閇0,，10],，分為11個(gè)量化等級(jí)，即 =｛0,，1,，2，3,，4,，5,，6，7,，8,，9，10｝,， 的基本論域?yàn)閇-5,，+5]，分為11個(gè)量化等級(jí)即 =｛-5,，-4,，-3,，-2,，-1，0,，1,，2，3,，4,，5｝。
（3）微分在PID控制中的作用主要是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,，控制超調(diào),。對(duì)于變工況且不確定系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程的初期,，即誤差的累積絕對(duì)值 較小時(shí),，應(yīng)加強(qiáng)微分的作用（即增大 ），而在調(diào)節(jié)過程的后期,，即誤差累積的絕對(duì)值 較大時(shí),，應(yīng)減弱微分的作用（即減小 ），將 的模糊子集取為PB,、PS,、O、NS,、NB,，則 的修正量 的Fuzzy控制規(guī)則如表2所示。其中,， 的的基本論域?yàn)閇-1,，1]，分為11個(gè)量化等級(jí)即 =｛-1,，-0.8,，-0.6,，-0.4，-0.2,，0,，0.2，0.4,，0.6,，0.8，1｝,。


智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,，當(dāng)要整定參數(shù)時(shí)把開關(guān)打在T，參數(shù)整定完畢,，切換到自動(dòng)位置A,，參數(shù)自調(diào)整控制器對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。


4 智能控制器的實(shí)現(xiàn)
4.1 控制器的硬件系統(tǒng)
控制器的硬件主要由微處理機(jī)系統(tǒng),，輸入通道,，輸出通道，鍵盤及顯示等部分組成,。
（1）微處理機(jī)系統(tǒng)：由8031單片機(jī),，2764 EPROM（用于存放監(jiān)控及控制程序），2816EEPROM（用于存放自整定的參數(shù)及溫度設(shè)定值）,，譯碼電路與鎖存器等組成,。

（2）輸入通道：由熱電偶冷端補(bǔ)償電路，放大電路（OP07,，741）,，V/F，光電耦合,，計(jì)數(shù)器,，定時(shí)器等組成。熱電偶冷端補(bǔ)償電路利用PN結(jié)電壓隨溫度上升而線性下降的特性進(jìn)行補(bǔ)償,。采用兩級(jí)放大器可將毫伏級(jí)信號(hào)放大到需要幅度0～5V,，由上V/F轉(zhuǎn)換成頻率量，再通過軟件的定時(shí),，計(jì)數(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換工作,。

（3）輸出通道：由D/A轉(zhuǎn)換器，V/I轉(zhuǎn)換器,，輸出鎖存器和光電隔離電路組成,。D/A轉(zhuǎn)換器將輸出轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器輸出0～10mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),。

（4）鍵盤及顯示部分：由8279,，4個(gè)鍵與4個(gè)LED組成,。

4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件主要由監(jiān)控軟件與控制軟件組成，其軟件框圖如圖3所示






4.3 調(diào)度與應(yīng)用
為了不影響窯爐的正常生產(chǎn),，在PID參數(shù)整定前,，先手動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫到正常工作點(diǎn)（1200℃）附近，并設(shè)定電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥的開度在工作點(diǎn)附近±10% 范圍內(nèi)變化,，使PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí),，爐溫變化幅度較小，如圖4所示,，其中前10 min為參數(shù)整定時(shí)間,。溫度的變化情況，采樣周期t=15s,。
該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)長期連續(xù)運(yùn)行,，性能穩(wěn)定，可靠性高,，采用溫度智能控制后,，在設(shè)定溫度1200℃時(shí),，溫度波動(dòng)范圍從原來手動(dòng)控制時(shí)的 ℃降為 ℃,，（見圖4），說明該系統(tǒng)具有良好的控制性能,。


5 結(jié)論
（1）由于采用分布式控制系統(tǒng),，上位機(jī)為586微機(jī)，軟件資源豐富,，可進(jìn)行集中監(jiān)控,、畫面顯示、參數(shù)設(shè)定等工作,，下位機(jī)能方便地與上位機(jī)交換信息,，也可以單獨(dú)運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,，系統(tǒng)可靠性高,，且價(jià)格低廉。
（2）溫度控制器采用PID參數(shù)自整定技術(shù),，可以大大縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間,，特別適合于缺乏自動(dòng)化工程技術(shù)人員的工廠。
（3）對(duì)于無法確定精確數(shù)學(xué)模型及變工況（象燃油爐）控制對(duì)象,，采用PID控制時(shí),，先采用自整定技術(shù)確定PID參數(shù)的初值，然后根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線Fuzzy調(diào)整,，是一種非常實(shí)用且有效的控制策略,。
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